地震可恢復(fù)功能連梁研究綜述與展望

在連梁跨中截面采用組合鋼板代替部分連梁，組合鋼板與連梁中預(yù)埋鋼板通過螺栓連接，即可削弱連梁跨中截面，組合鋼板又稱為保險(xiǎn)絲．保險(xiǎn)絲能夠發(fā)揮鋼材的優(yōu)勢(shì)性能，提供一定的初始剛度，耗能能力穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于型鋼混凝土連梁和鋼連梁．

對(duì)于型鋼混凝土連梁，呂西林等^[6]提出3種不同功能用途的保險(xiǎn)絲，試驗(yàn)結(jié)果表明，保險(xiǎn)絲具有有穩(wěn)定的耗能能力以及良好的低周疲勞劣化特性， 3種保險(xiǎn)絲各有特點(diǎn)，能適應(yīng)不同連梁跨度的結(jié)構(gòu)．隨后，呂西林等^[7-8]為進(jìn)一步研究了可更換保險(xiǎn)絲連梁的抗震性能，設(shè)計(jì)了帶可更換連梁的混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)（圖3）．與鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)相比，損傷集中在保險(xiǎn)絲上，具有良好的耗能能力．但在強(qiáng)震中保險(xiǎn)絲突然失效后，設(shè)置可更換連梁的結(jié)構(gòu)的層間位移和樓層加速度變大．范重等^[9]針對(duì)保險(xiǎn)絲與連梁連接節(jié)點(diǎn)問題，提出帶齒形鍵槽的可更換連梁．該可更換連梁傳力可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)單，可有效減小結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角，降低破壞程度．此外，研究發(fā)現(xiàn)型鋼混凝土連梁的非耗能梁段出現(xiàn)大量裂紋、混凝土剝落等問題，增加震后的修復(fù)難度與成本．

對(duì)于鋼連梁，F(xiàn)ORTNEY等^[10]提出可更換保險(xiǎn)絲鋼連梁，研究發(fā)現(xiàn)該保險(xiǎn)絲熔斷，連接結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力與延性．在此基礎(chǔ)上，SHAHROOZ等^[11]改良了該可更換保險(xiǎn)絲鋼連梁（圖4），研究表明，可更換保險(xiǎn)絲鋼連梁的耗能能力良好，因保險(xiǎn)絲為主要的耗能部件，連梁損傷主要集中在保險(xiǎn)絲上，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度沒有大幅度降低，有效減小了連梁與墻肢的塑性變形．紀(jì)曉東等^[12-13]研究鋼連梁的抗震性能發(fā)現(xiàn)連梁會(huì)發(fā)生加勁肋-腹板焊縫斷裂或翼緣-端板焊縫斷裂，并提出端板-抗剪鍵或連接板連接是有效的連接方式，這種連接方式傳力可靠、耗能穩(wěn)定且易于更換^[14]．

圖3 設(shè)置帶可更換連梁的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型[7] Fig. 3 Structural model with replaceable coupling beam[7].

圖4 帶保險(xiǎn)絲的可更換鋼連梁[11] Fig. 4 Overview of replaceable steel coupling beams with a midspan fuse[11].

為進(jìn)一步研究可更換鋼連梁的抗震性能，學(xué)者們還考慮了鋼筋混凝土樓板的影響^[15-18]，發(fā)現(xiàn)減小耗能梁段的長(zhǎng)度，能夠提高結(jié)構(gòu)的承載力、抗側(cè)壓剛度、耗能梁段的極限塑性轉(zhuǎn)角和超強(qiáng)系數(shù)，且樓板與可更換鋼連梁分隔能有效減小樓板的損傷，但降低了結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力．此外，鋼連梁在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，鋼腹板往往會(huì)發(fā)生平面外失穩(wěn)，因此必須采取設(shè)置水平或豎向加勁肋等措施防止或延緩腹板屈曲，以保證結(jié)構(gòu)的安全．

在實(shí)腹式鋼連梁的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼連梁的跨高比較小時(shí)，在地震作用下連梁的主拉應(yīng)力與主壓應(yīng)力呈對(duì)角交叉分布．通過削弱連梁鋼腹板應(yīng)力小的截面，進(jìn)而提出鋼桁架連梁．該連梁通過弦桿承受彎矩，腹桿承受剪力，這種受力模式更符合連梁在地震作用下的實(shí)際受力情況．鄧志恒等^[19-20]提出一種新型鋼組合桁架連梁（圖5），發(fā)現(xiàn)該鋼桁架連梁具有較高的承載力與良好的延性，耗能能力良好，設(shè)置交叉腹桿能提高整體剛度，能更好地發(fā)揮鋼材的性能．隨后，提出剛度比與面積比的概念，即當(dāng)腹桿截面過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致弦桿過快發(fā)生彎曲破壞，當(dāng)弦桿過大時(shí)會(huì)減小腹桿的耗能能力．通過優(yōu)化連梁的抗震設(shè)計(jì)方法，能有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能^[21]．

圖5 新型鋼桁架連梁[20] （a）試驗(yàn)裝置；（b）結(jié)構(gòu)破壞模型Fig. 5 (a) Test device and (b) structural failure model of novel type of steel truss coupling beam[20].

鋼桁架連梁在地震作用下主要通過斜腹桿塑性變形耗散能量，因此通過提高腹桿的耗能能力，進(jìn)而能提高鋼桁架連梁的抗震性能．學(xué)者們開發(fā)了防屈曲約束腹桿^[22-25]和帶摩擦裝置腹桿^[26]，并應(yīng)用于可更換桁架連梁^[27-28]（圖6）．研究表明帶腹桿的可更換鋼桁架連梁能夠減小層間位移，降低梁和墻肢的轉(zhuǎn)角，有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能．但是存在以下問題：①鋼桁架結(jié)構(gòu)的桿件連接較為復(fù)雜，增加施工難度；②鋼桁架連梁削弱整體剛度，腹桿可能發(fā)生面外失穩(wěn)，降低耗能能力；③不適用于高跨比較小的連梁．

圖6 可更換鋼桁架連梁[28] Fig. 6 (Color online) Replaceable steel truss coupling beam[28].

為解決腹桿屈曲問題，有學(xué)者提出由鋼腹板代替腹桿的可更換鋼桁架連梁^[29-30]（圖7），發(fā)現(xiàn)鋼腹板提高了連梁的強(qiáng)度與剛度，試件均為延性破壞，鋼腹板的非彈性變形較為集中，具有良好的變形和耗能能力．但鋼腹板在大變形下仍會(huì)發(fā)生平面外失穩(wěn)，可以在鋼腹板兩側(cè)采用高阻尼混凝土蓋板提高約束作用，有效防止鋼腹板過早發(fā)生面外失穩(wěn)^[31]．

圖7 可拆卸式消能減震鋼桁架連梁[29] Fig. 7 Replaceable steel truss coupling beam with energy dissipating devices[29].

黏彈性阻尼器是通過流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生粘滯阻力的原理制成的，在小位移變形即可發(fā)揮耗能作用． LYONS等^[32]提出一種帶黏彈性耦合阻尼器的可更換連梁方案（圖8），該連梁由削弱截面的保險(xiǎn)絲與黏彈性阻尼器組成，削弱截面的保險(xiǎn)絲能在黏彈性阻尼器達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，發(fā)揮耗能作用以保護(hù)黏彈性阻尼器．研究表明，該連梁能有效減小小震作用下的層間位移、加速度以及樓層剪力，并且大幅度降低了震后修復(fù)成本^[32]．但MONTGOMERY等^[33-34]發(fā)現(xiàn)該阻尼器的抗震性能在中、大震作用下效果不明顯．此外，黏彈性阻尼器的力學(xué)性能可能受溫度、加載頻率的影響，加工制作比較困難，價(jià)格較高，目前在實(shí)際工程中應(yīng)用較少．

圖8 黏彈性耦合阻尼器[32] Fig. 8 (Color online) Viscoelastic coupling damper [32].

摩擦阻尼器具有較好的庫侖特性，通過產(chǎn)生較大的附加阻尼耗散能量．與黏彈性阻尼器相比，摩擦阻尼器的滯回曲線飽滿，能提供一定的初始剛度．因此，CHUNG等^[35]提出一種帶摩擦阻尼器的可更換鋼連梁（圖9），外部構(gòu)件與鋼連梁通過螺栓連接，中間層采用摩擦板提高可更換連梁的耗能能力，非線性時(shí)程分析結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)耗能能力良好，能有效減小頂層水平位移和結(jié)構(gòu)損傷．摩擦面是摩擦阻尼器力學(xué)性能的關(guān)鍵，采用由專用摩擦材料制成的剎車片作為摩擦面能獲得優(yōu)異的性能，耗能效果更好^[36]．在此基礎(chǔ)上，曲哲等^[37]考慮了混凝土樓板的影響，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)連梁弦轉(zhuǎn)角為4%時(shí)，RC樓板出現(xiàn)6 mm寬的彎曲裂縫，樓板損傷嚴(yán)重，可能會(huì)影響建筑結(jié)構(gòu)震后恢復(fù)功能．此外，摩擦阻尼器在長(zhǎng)期使用過程中，摩擦材料會(huì)因冷凝固或冷粘結(jié)改變摩擦系數(shù)，不僅增加了后期維護(hù)成本，也會(huì)影響其正常使用功能．

圖9 帶摩擦阻尼器可更換鋼連梁[35] （a）立面圖；（b）剖面圖Fig. 9 (Color online) (a) Elevation and (b) profile of steel replaceable coupling beam with friction damper[35].

與其他類型阻尼器相比，金屬阻尼器的性能更加全面．一方面，金屬阻尼器不需要任何能量輸入或控制命令，具有穩(wěn)定的耗能能力；另一方面，金屬阻尼器成本低，后期維護(hù)簡(jiǎn)單．因此，學(xué)者們研發(fā)了一系列的帶縫軟鋼連梁阻尼器^[38-39]與剪切鋼板連梁阻尼器^[40-42]（圖 10）．金屬連梁阻尼器具有穩(wěn)定的耗能能力，能有效提高連梁的等效阻尼比；帶金屬阻尼器的可更換連梁結(jié)構(gòu)的耗能能力強(qiáng)，損傷集中在阻尼器中，能有效減小結(jié)構(gòu)損傷．值得注意的是，金屬連梁阻尼器不應(yīng)完全代替整個(gè)連梁，因而使得連梁的跨高比增大，容易導(dǎo)致鋼板發(fā)生面外屈曲^[43-44]．另外，由于可更換連梁變形集中在阻尼器中，產(chǎn)生了較大的豎向變形，這可能會(huì)對(duì)樓板造成損傷^[45]．

圖 10 金屬連梁阻尼器[42] Fig. 10 Metallic coupling beam damper[40].

然而，這些金屬連梁阻尼器只有一個(gè)屈服點(diǎn)，不能適應(yīng)不同烈度地震．為此，潘鵬等^[46]研發(fā)一種新型鋼制雙級(jí)屈服連梁阻尼器（圖 11）．該阻尼器由2個(gè)彎曲構(gòu)件與1個(gè)剪切構(gòu)件組成，在中震作用下，剪切構(gòu)件先屈服耗能而彎曲構(gòu)件保持彈性狀態(tài)；在大震作用下，彎曲構(gòu)件發(fā)生屈服，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)屈服耗能，提高連梁的耗能能力．試驗(yàn)結(jié)果表明試件均表現(xiàn)為雙階段屈服機(jī)制，耗能穩(wěn)定，試件斷裂時(shí)轉(zhuǎn)角振幅達(dá)到1/15，具有較大的變形能力．

圖 11 鋼制雙級(jí)屈服連梁阻尼器[46] Fig. 11 (Color online) Steel double-stage yielding coupling beam damper[46].

單一阻尼器具有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，學(xué)者們結(jié)合不同阻尼器的特點(diǎn)，提出復(fù)合阻尼器，即將幾種不同類型的阻尼器組合協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自阻尼器的性能優(yōu)勢(shì)，因而獲得更好的耗能能力． KIM等^[47]提出一種由U型鋼與高阻尼橡膠組合的復(fù)合阻尼器（圖 12），該復(fù)合阻尼器能降低結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，且在大變形條件下仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性．隨后，中國學(xué)者們展開大量相關(guān)研究，研發(fā)了一系列的復(fù)合阻尼器，對(duì)提高可更換連梁的抗震性能具有重大意義．蔣歡軍等^[48]研發(fā)，金屬-黏彈性復(fù)合阻尼器，陳云等^[49]研發(fā)，O型鋼板-黏彈性復(fù)合阻尼器，王玉璋等^[50]研發(fā)，黏滯性與黏彈性的高阻尼黏彈性橡膠阻尼器，周云等^[51-52]研發(fā)鋼管鉛芯阻尼器與鉛-黏彈性復(fù)合阻尼器．這些復(fù)合阻尼器具備良好的抗側(cè)剛度，同時(shí)滿足不同變形情況下的耗能．與單一阻尼器相比，復(fù)合阻尼器的滯回曲線飽滿，耗能能力良好，并且可根據(jù)不同的性能要求調(diào)節(jié)復(fù)合阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)．

圖 12 復(fù)合阻尼器[47] Fig. 12 (Color online) Composite damper[47].

在復(fù)合阻尼器研究的基礎(chǔ)上，學(xué)者們進(jìn)一步研究附加復(fù)合阻尼器的可更換連梁的抗震性能．蔣歡軍等^[53]對(duì)安裝金屬-黏彈性復(fù)合連梁阻尼器的高層建筑進(jìn)行數(shù)值分析（圖 13），發(fā)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)的損傷集中在復(fù)合阻尼器，減小了混凝土非耗能梁段以及墻肢的損傷，能顯著改善高層建筑的抗風(fēng)性能與抗震性能，但新型結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與加速度響應(yīng)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低．蔣歡軍等^[54]隨后又提出帶O型鋼板-黏彈性復(fù)合阻尼器的可更換連梁，該復(fù)合阻尼器能發(fā)揮黏彈性阻尼器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備金屬阻尼器良好的抗側(cè)剛度．當(dāng)變形較小時(shí)，僅黏彈性阻尼器耗能；當(dāng)變形較大時(shí)，兩阻尼器協(xié)同耗能，有效減小結(jié)構(gòu)的層間位移角和剪力墻損傷．周云等^[55-56]也對(duì)附加復(fù)合阻尼器的可更換連梁進(jìn)行研究，證明了復(fù)合阻尼器耗能穩(wěn)定，有效減緩主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性破壞，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能．

圖 13 可更換連梁示意圖[53] Fig. 13 Schematic drawing of replaceable coupling beam[53].